基于正交設(shè)計(jì)的直升機(jī)傳動(dòng)組件磨損影響因素可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究

劉松宇，沈亞斌

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

基于正交設(shè)計(jì)的直升機(jī)傳動(dòng)組件磨損影響因素可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究

劉松宇，沈亞斌

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

以直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)組件為研究對(duì)象，采用正交設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一套新的磨損影響因素可靠性試驗(yàn)，通過極差分析法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，比較兩者優(yōu)劣，確定對(duì)直升機(jī)機(jī)械組件磨損的主、次要影響因素，以此證明該可靠性試驗(yàn)技術(shù)的實(shí)用性與合理性。

正交設(shè)計(jì);磨損影響因素;可靠性試驗(yàn)

0 引言

國內(nèi)外直升機(jī)型號(hào)繁多，不同機(jī)型的傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)都有所不同，而且根據(jù)使用目的的不同亦需選擇相對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)方式，有以傳動(dòng)桿和搖臂為主要組件的硬式傳動(dòng)，有以滑輪和鋼索為主要組件的軟式傳動(dòng)，也有軟/硬混合式傳動(dòng)，但以上不同的傳動(dòng)方式都不可避免地遇到同一個(gè)問題——傳動(dòng)裝置組件因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，經(jīng)過一定的工作時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致磨損失效。有些時(shí)候，某些組件發(fā)生磨損失效，最終會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，停止工作［1，2］。例如，某型號(hào)直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中，旋翼一般由發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸(即減速器)等組成的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)［3］，在這一系列復(fù)雜組件中，無法避免磨損失效問題的發(fā)生，所以對(duì)于裝置中扮演重要角色的機(jī)械組件，如何準(zhǔn)確地判斷維修更換時(shí)間，如何延長其安全壽命，這些問題都極具研究價(jià)值，至此對(duì)其進(jìn)行磨損可靠性研究便顯得尤為必要［4］，而任何研究都離不開試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

本文基于上述技術(shù)背景，特以直升機(jī)系統(tǒng)中的較為常見的機(jī)械組件為研究對(duì)象，采用正交設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套新的磨損可靠性試驗(yàn)方法;同時(shí)，分別利用極差分析法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比較兩者的優(yōu)劣，最終確定對(duì)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)組件磨損的主、次要影響因素。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1．1 主要試驗(yàn)參試樣品

傳動(dòng)齒輪、滾針襯套、主軸、連接齒套等。

1．2 試驗(yàn)條件

1)試驗(yàn)設(shè)備要求

動(dòng)力:可采用650KW電機(jī);

液壓設(shè)備:需提供移動(dòng)式液壓源。

2)試驗(yàn)測量設(shè)備和儀表

外形測量:游標(biāo)卡尺0150mm，千分尺050mm;

壓力測量:試驗(yàn)平臺(tái)壓力值測量見表1;

溫度測量:紅外測溫儀;

試驗(yàn)用油:試驗(yàn)用油與實(shí)機(jī)相關(guān)裝置用油一致。

表1 壓力測量參數(shù)

2 磨損影響因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2．1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過該試驗(yàn)判斷載荷、轉(zhuǎn)速、硬度等影響因素與傳動(dòng)齒輪磨損的關(guān)系。

2．2 試驗(yàn)方法

利用正交表頭設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，選取三個(gè)主要影響因素，每個(gè)因素確定4個(gè)水平，共設(shè)計(jì)16組載荷、轉(zhuǎn)速、硬度不同組合的正交磨損試驗(yàn)，按節(jié)點(diǎn)記錄傳動(dòng)齒輪磨損量(表2、表3)。

特別說明:正交表頭具有“整齊可比，均勻分散”的正交性，必須保證設(shè)計(jì)的正交表頭滿足此兩點(diǎn)性質(zhì);因本正交試驗(yàn)是三因素四水平的，故選用L16(43)的正交表頭［5，6］。

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)方案表

2．3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1)對(duì)原始傳動(dòng)齒輪進(jìn)行600次磨合，保證進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。

2)磨合結(jié)束后，每200次換擋對(duì)傳動(dòng)齒輪厚度進(jìn)行測量，共測量10次(即共換擋2000次)，按節(jié)點(diǎn)記錄傳動(dòng)齒輪磨損量。

3)重復(fù)上述兩步，按照正交表頭L16(43)共完成16組試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3．1 測量結(jié)果

整理16組測量數(shù)據(jù)，見表4。

表4 磨損影響因素正交試驗(yàn)結(jié)果測量表

3．2 數(shù)據(jù)分析

考慮到正交試驗(yàn)的獨(dú)特性，運(yùn)用極差分析法和方差分析法兩種分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析，準(zhǔn)確判斷各影響因素與傳動(dòng)齒輪磨損的關(guān)系。

3．2．1 極差分析法

極差分析法的原理是通過極差的大小確定影響因素的主次關(guān)系。極差分析法的結(jié)果分析見表5。

表5中，Ki為任一列上水平號(hào)是i(i=1，2，3，4)時(shí)所得試驗(yàn)指標(biāo)值的總和;ki:ki=Ki/s，其中s是各水平在任意一列上出現(xiàn)的次數(shù)，故ki為任一列上，因素取水平i(i=1，2，3，4)時(shí)所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值;R:稱為極差，即在任意一列上，R=max {K1，K2，K3，K4}－min{K1，K2，K3，K4}，或R=max {k1，k2，k3，k4}－min{k1，k2，k3，k4}。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

各列的極差通常是不相等的，這也正表示各個(gè)因素水平的改變會(huì)對(duì)正交試驗(yàn)指標(biāo)值產(chǎn)生不同等級(jí)的影響。極差R愈大，說明在一定范圍內(nèi)該列影響因素的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)值(即傳動(dòng)齒輪磨損率w(t))產(chǎn)生愈大的變化，故極差R最大的一列便為最主要影響因素，據(jù)此依次可對(duì)因素主次進(jìn)行排列。

通過表5可知，R(轉(zhuǎn)速)=19．75遠(yuǎn)大于R(油壓)=3．25和R(硬度)=2．75，故轉(zhuǎn)速為影響傳動(dòng)齒輪磨損的最主要因素，而且影響效力遠(yuǎn)大于載荷和硬度;R(油壓)=3．25雖稍大于R(硬度)= 2．75，但仍屬同一等級(jí)，二者影響效力相當(dāng)。

3．2．2 方差分析法

方差分析法能夠把由因素水平變化所導(dǎo)致的測量結(jié)果的差異和測量誤差分開來，若某因素水平的變化導(dǎo)致測量結(jié)果的變動(dòng)與測量誤差相差較大，即認(rèn)為該因素對(duì)試驗(yàn)測量結(jié)果存在顯著的影響;反之，即認(rèn)為該因素對(duì)試驗(yàn)測量結(jié)果影響不顯著。主要分析過程是先算取因素和誤差的離差平方和，再依次計(jì)算自由度、均方、F值，最后進(jìn)行F檢驗(yàn)。

具體計(jì)算過程如下，見式(1)－式(20):

1)計(jì)算離差平方和

①總離差平方和SST

則總離差平方和:

②各因素引起的離差平方和SSj

式中，j=1，2，3，4為某因素所在的列號(hào)，r為其水平數(shù)，如因素A在第1列上，即SSA=SS1，依次同理，則有:

③試驗(yàn)誤差的離差平方和SSe

試驗(yàn)方案表3中的空列是誤差列，目的是作方差分析的對(duì)比項(xiàng)，誤差的離差平方和在計(jì)算過程中是求取所有空列對(duì)應(yīng)的離差平方和的總和，即:

2)計(jì)算自由度

總自由度:

各因素自由度:

誤差自由度:

3)計(jì)算均方(即平均離差平方和)

各因素均方:

誤差均方:

但發(fā)現(xiàn)MSA＜MSe，MSC＜MSe，說明因素A和C對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)值的影響較小，是次要因素，故二者均歸入誤差里，這樣誤差的離差平方和、自由度、均方也隨之變化，即:

新誤差離平方和:

新誤差自由度:

新誤差均方:

4)計(jì)算F值

F值是各影響因素對(duì)應(yīng)的均方與誤差均方的比值(本試驗(yàn)因?yàn)橐蛩谹、C都算入誤差里，所以不需計(jì)算A、C的F值，真正意義上的主要影響因素僅為B，即轉(zhuǎn)速):

5)F檢驗(yàn)

在顯著性水平確定的前提下，檢驗(yàn)影響因素是否對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)值存在顯著性影響。即先通過F分布表查得臨界值，再對(duì)F值和臨界值進(jìn)行數(shù)值比較，若，則因素B對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)值存在顯著性影響，反之不存在。通常F值和臨界值之間的相差愈大，表示該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響愈為顯著，即該因素愈為關(guān)鍵。

本正交試驗(yàn)經(jīng)查表得:F0．05(3，12)=3．49，F(xiàn)0．01(3，12)=5．95，故對(duì)應(yīng)于給定的顯著性水平α= 0．05，α=0．01，F(xiàn)B=15．7755542＞F0．05(3，12)= 3．49，F(xiàn)B=15．7755542＞F0．01(3，12)=5．95，即影響因素B對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)值(即傳動(dòng)齒輪磨損率w(t))存在非常顯著的影響，最后將分析結(jié)果列于表6。

表6 正交試驗(yàn)方差分析表

方差分析法的分析結(jié)果是影響因素B(轉(zhuǎn)速)對(duì)傳動(dòng)齒輪磨損有顯著性影響，而影響因素A(載荷)和C(硬度)相對(duì)來說均為次要因素，有影響，但效力并不顯著，這也與極差分析法的分析結(jié)果一致。

綜上所述，得到磨損影響正交試驗(yàn)結(jié)論:

1)影響傳動(dòng)齒輪磨損的眾多因素里，轉(zhuǎn)速影響作用最大，即為最主要影響因素;

2)相對(duì)于轉(zhuǎn)速，載荷和硬度影響效力相當(dāng)，但影響作用不大，即為次要影響因素。

3)方差法充分考慮試驗(yàn)誤差的存在，把由因素水平變化所導(dǎo)致的測量結(jié)果的差異和測量誤差分開來，相較于極差法，方差法的分析結(jié)果更為真實(shí)可靠。

4 結(jié)論

本文以直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)組件——齒輪為試驗(yàn)研究對(duì)象，結(jié)合部隊(duì)外場環(huán)境，選取三項(xiàng)對(duì)機(jī)械磨損最為重要的影響因素(載荷、轉(zhuǎn)速、硬度)，采用正交設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)磨損影響因素試驗(yàn)，確定了轉(zhuǎn)速是對(duì)齒輪磨損影響最大的主要因素，同時(shí)載荷和硬度為效力相當(dāng)?shù)拇我蛩亍?/p>

磨損影響因素可靠性正交試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)結(jié)果，較為準(zhǔn)確地反映了對(duì)直升機(jī)機(jī)械組件磨損影響因素的主次要關(guān)系，比較了極差分析法和方差分析法的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，成功建立了實(shí)用的確定主要磨損影響因素的可靠性試驗(yàn)新技術(shù)，該試驗(yàn)技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值，符合工程實(shí)際。

［1］ 陶梅貞，現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997．

［2］ 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)編，編．飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第12冊(cè)［M］．北京:航空工業(yè)出版社，2003．

［3］ 陳怡樞［J］．展望21世紀(jì)直升機(jī)技術(shù)的新進(jìn)展［J］．直升機(jī)技術(shù)，2000(121):45－49．

［4］ 黃洪鐘．機(jī)械傳動(dòng)可靠性理論與應(yīng)用［M］，北京:科學(xué)出版社，1995．

［5］ 徐仲安，王天保，李常英．正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法簡介［J］，科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2002，12(5):148－150．

［6］ 陳 東，黃 平，王 歡．用正交設(shè)計(jì)伏化半金屬摩擦材料的配方［J］，機(jī)械工程材料，2004，28(5):35－37．

Research on the Wear Reliability Test Technique of the Transmission System Assembly Influential Factors of Helicopter based on Orthogonal Test Design

LIU Songyu，SHEN Yabin
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

In this paper，with helicopter transmission system as its research object，adopted the orthogonal designing method to design a new test for determining the reliability of wear influential factors．To verify the practicability and reasonability of technology test，the test data were processed and analyzed using range analysis method and variance components method to compare the advantages and disadvantages of the two and determine major and secondary influence factors for abrasion of helicopter mechanical components．

orthogonal design;influential factors;reliability test

V216．6

A

1673-1220(2017)02-056-05

2016－10－08

劉松宇(1989－)，男，河北安國人，碩士，助理工程師，主要研究方向:直升機(jī)五性設(shè)計(jì)。